天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的確定

摘 要

摘要：對天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計算公式進行了理論推導，計算結果與相關規(guī)范和工程技術規(guī)格書的指標一致，工程實踐證明推導的彎管壁厚減薄率計算公式行之有效。關鍵詞：高
摘要：對天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計算公式進行了理論推導，計算結果與相關規(guī)范和工程技術規(guī)格書的指標一致，工程實踐證明推導的彎管壁厚減薄率計算公式行之有效。
關鍵詞：高壓管道；彎管；壁厚減薄率
Determination of Wall Thinning Rate at Bend of Natural Gas High-pressure Pipeline
LIU Zhiren，TAO Chunhui
Abstract：The calculation formula of wall thinning rate at bend of natural gas high-pressure pipeline is theoretically derived.The calculation result is consistent with the indicators in the related norms and engineering specifications.The practice shows that the derived calculation formula of wall thinning rate is effective.
Key words：high-pressure pipeline；bend；wall thinning rate
1 概述
    在天然氣高壓管道建設中通常采用彈性敷設、現場冷彎彎管或熱煨彎管改變管道的走向。通常優(yōu)先采用彈性敷設，以減小沿程摩擦阻力和增強管道的整體柔韌性。當采用彈性敷設受地形條件限制時，應優(yōu)先使用現場冷彎彎管，冷彎彎管無法實現管道轉向時使用熱煨彎管。
    為了保證天然氣高壓管道彎管壁厚減薄后仍具有足夠的強度，需要對管道彎曲后的壁厚減薄率進行計算并限定。目前天然氣行業(yè)標準中僅SY/T 5257—2004《油氣輸送用鋼制彎管》規(guī)定熱煨彎管最大壁厚減薄率應不大于9%。本文對天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計算公式進行理論推導。
2 彎管壁厚減薄率計算模型
    天然氣高壓管道進行彎制時，管道彎曲段受力變形，彎制前狀態(tài)見圖1，彎制后狀態(tài)見圖2，彎曲段Ⅰ′-Ⅰ′斷面見圖3。管道在彎制過程中，內側管壁受壓力，由于擠壓作用管壁由直線形(如CD段)變成圓弧形(如C′D′段)，管壁由于壓縮變短而增厚；外側管壁受拉力，由于拉伸作用管壁由直線形(如AB段)變成圓弧形(如A′B′段)，管壁由于拉伸變長而減薄。管壁減薄會使強度降低，為保證管壁減薄后仍有足夠強度，要求管壁有一定厚度，在彎曲段管壁減薄應均勻。
 

在天然氣高壓管道彎制過程中，根據質量守恒可得式(1)。
 
式中φ——彎曲角度，rad
    r——曲率半徑，mm
    D——外直徑，mm
    δ1——彎曲后外側管壁壁厚，mm
    δ0——彎曲前管道管壁壁厚，mm
根據式(1)得到天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計算公式，見式(2)。
 
式中C——彎管壁厚減薄率
3 天然氣高壓管道彎管技術要求
   ① 熱煨彎管技術要求
   根據現行國家標準GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》，彎管的曲率半徑應不小于外直徑的4倍，并應滿足清管器或檢測儀器能順利通過的要求。而行業(yè)標準SY/T 5257—2004對彎管的定義為“用于在管道中改變介質流動方向，且彎曲的曲率半徑不小于其母管外直徑5倍的兩端帶直段的圓弧形管件”。由此可見，實際生產的熱煨彎管，其曲率半徑應不小于外直徑的5倍。
    此外，現行國家標準GB 50470—2008《油氣輸送管道線路工程抗震設計規(guī)范》要求“在需抗震設防的埋地管道，不宜設置彎頭，應采用彈性敷設，且曲率半徑不得小于外直徑的1000倍。當需沒置熱煨彎管時，其曲率半徑不得小于外直徑的6倍”。因此，在天然氣高壓管道設計中，GB 50470—2008未實施前，通常要求熱煨彎管的曲率半徑為外直徑的5倍；GB 50470—2008實施后，通常要求熱煨彎管的曲率半徑為外直徑的6倍。
   ② 冷彎彎管技術要求
   根據GB 50251—2003，現場冷彎彎管的最小曲率半徑見表1，其中的D表示外直徑。
表1 現場冷彎彎管的最小曲率半徑
公稱直徑/mm
最小曲率半徑
≤300
18D
350
21D
400
24D
450
27D
500
30D
4 彎管壁厚減薄率計算及分析
    ① 熱煨彎管壁厚減薄率計算及分析
    a. 熱煨彎管曲率半徑為外直徑的5倍時，計算得其壁厚減薄率為9%。這與SY/T 5257—2004對熱煨彎管壁厚最大減薄率應不大于9%的要求相符，且與國內許多高壓管道工程熱煨彎管技術規(guī)格書要求的壁厚減薄率一致。
    b. 熱煨彎管曲率半徑為外直徑的6倍時，計算得其壁厚減薄率為7.7%。這與川氣東送江蘇配套管道一期工程溧宜支線工程技術規(guī)格書規(guī)定的熱煨彎管壁厚減薄率不大于8%一致。
    ② 冷彎彎管壁厚減薄率計算及分析
    冷彎彎管曲率半徑為外直徑的18倍時，計算得其壁厚減薄率為2.7%。國內許多高壓管道工程技術規(guī)格書并未對冷彎彎管壁厚減薄率作出明確規(guī)定，僅有川氣東送工程技術規(guī)格書作出規(guī)定，要求壁厚減薄率不大于3%，計算結果與其一致。
5 結語
    本文推導的天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率計算公式可以方便地確定彎管壁厚減薄率，其計算結果與國內相關規(guī)范及已建成的天然氣高壓管道工程技術規(guī)格書的指標一致。彎管生產廠家和工程公司在制作過程中按照計算結果進行彎管的質量控制，相關產品已投入運行多年，運行狀態(tài)良好，說明計算結果與實際符合，也證明了本文推導的天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率計算公式行之有效。
 
(本文作者：劉志仁 陶春輝 南京市燃氣工程設計院有限公司 江蘇南京 210009)